专利名称：一种基于声卡的数据采集方法和系统的制作方法
所属领域本发明属于数字信号处理领域，涉及一种数据采集技术。
利用这一手段采集数据遇到最大的问题是恢复直流量的问题，由于声卡的麦克风接口串有隔直电容，因此在不加任何外部电路的情况下只能采集纯交流信号。解决这一问题的方法主要有1.调幅法参见图1调幅法原理图。工作过程是从探头S采集的信号，经过放大器和滤波器A，被载波发生器C调制，再经过滤波器F，接入声卡SC，利用计算机M解调。调幅法的主要缺陷有频率带宽利用率差，一般只适合于采集频率很低的信号；无法分辨信号的极性，因此只能采集单极性信号；很难实现多路信号同时采集；频谱位移无法实现实时信号显示等。
2.斩波法参见图2斩波法原理图。(1)是前置电路，(2)是模拟开关，(3)是脉冲发生器，SC是声卡，M是计算机。工作中利用模拟开关(2)，在窄脉冲的控制下开关(3)，从而将直流信号调制成窄脉冲。图3是相应的输入输出信号示意图。这种方法的主要缺陷有受脉冲宽度的影响大(如果脉冲太窄，则采样精度降低，否则脉冲太宽则会造成直流分量积累)；受脉冲频率影响大；难于实现多路信号同时采集等。
发明目的针对以上出现的问题，本发明利用直流信号双边带调制及分时复用技术解决声卡采集直流信号的问题，并且可以实现多路信号同时采集。发明的技术方案本发明是一种基于声卡的数据采集方法和系统，由硬件和软件组成。硬件对数据进行采集，软件对硬件采集到的数据进行处理。
如上所述，声卡采集数据遇到的最大问题就是低频信号的处理问题，本发明采用下述信号调制方式解决这个问题(参见图4本发明输出信号示意图)由硬件将输入信号转化成为数据帧F，一帧分成四部分；第一部分为同步信号S，第二至第四部分是数据信号D，每部分对应着采集系统的一个通道；每个通道由大小相等、电平相反的两取样脉冲组成，保证输出信号的直流分量绝对为零。另外各部分之间插有隔离区，用以排除信号之间的干扰。因此解决了声卡不能采集直流信号的问题，同时又实现了多路采集的功能。
参见图5系统组成方框图，实现上述信号调制方式的硬件采集部分包括声卡、输入接口电路SI、时序发生电路T，分时复用电路TD、双边带生成电路D，输出接口电路OI和自校准电路SA几部分。该系统从信号源S采集信号，通过声卡SC及计算机M进行采集。
其中输入接口电路主要起阻抗变换、量程转换和保护作用。阻抗变换采用精密集成运放构成射级跟随器，采用双向稳压管做输入保护。为了保证精度，电阻都采用精密金属膜电阻器。
时序发生电路采用与非门构成的矩形波发生器产生矩形波，然后经过分频器生成二分频，四分频和八分频信号分时复用电路由多路选择开关组成。在时序脉冲的控制下，再将一帧分成四段，将后三段分别复用给三个通道。同时产生同步信号和隔离区，插入输出信号中，用以排除信号之间的干扰。
双边带生成电路由集成运放和多路选择开关组成，将单边带信号倒相，再插入原信号中，形成双边带信号。
输出接口电路由集成运放比例放大电路和阻抗变换电路组成，与声卡的麦克风接口进行阻抗和信号幅度的匹配。
自校准电路主要由精密基准电压源组成，其输出的基准电压和输入信号一同接入输入电路，其工作方式为每次采集信号开始的时候，由自校准电路控制产生10个校准脉冲，校准脉冲被声卡采集，跟储存在计算机中的关于基准电压源的数据进行比较，得出采集的数据和实际信号之间的比例因子。
另外利用声卡的软件接口，可以编写程序控制声卡的D/A转换器产生任意波形，将声卡输出的音频信号通过输出接口电路的阻抗变换，再经过放大器放大后输出。由此本发明还可以将声卡用作任意波形发生器，输出音频范围的信号。有益效果本发明采用数据调制的手段解决声卡不采直流的问题，可以应用于计算机智能检测系统，与笔记本电脑连机组成数据采集系统等。具有下述优点1.电路简单，采样精度高，采样带宽利用率高，对外时钟的精度要求不高；2.可以同时进行三路信号的采集，采样频率每路可以达到1000赫兹；3.兼有任意波形发生器的功能；4.声卡、计算机全部使用通用型号，编程、操作非常方便；5.采集范围宽；6.内有自校准电路，每次采集前可以自动进行校准；7.体积小，耗电小；8.成本低。
图1调幅法原理2斩波法原理3图2输入输出信号示意4本发明输出信号示意5系统组成方框6采集部分印刷电路板图7任意波形发生器原理8软件运行界面图9待采样信号——2.5赫兹正弦波图10对图9波形信号采样得到的50赫兹信号图11待采样信号——2.5赫兹三角波图12对图11波形信号采样得到的25赫兹信号实施例实际的硬件电路印刷电路板如图6所示。
其中输入接口电路输入阻抗约50欧姆。量程分为四档×0.1，×1，×10，×100。标准量程为×1档，可以测量±9V的信号。添加换档开关后，可以大大提高小信号测量精度，同时也扩展了量程。除×0.1档采用电阻分压电路外，其余均采用OP07构成的比例运算电路。
时序发生电路的矩形波发生器产生8KHZ的矩形波，然后经过分频器生成二分频，四分频和八分频信号。整个电路在设计上对信号发生器的频率稳定度要求不高，相对偏差小于10E-3就可以满足要求，这不但简化了电路，还可以应用在相当宽的(-40～+70℃)的温度范围内。
自校准电路的精密基准电压源误差＜0.02％，输出的5V基准电压和输入信号一同接入输入电路。在每次数据采集开始，由继电器控制自校准电路输出10个左右校准脉冲，进行自校准。因此在换档时不用再进行调整。
参见图7任意波形发生器原理图，当本发明用作任意波形发生器时，从声卡S输出的音频信号，经过输入接口电路SI的阻抗变换，被放大器A放大，然后经过功率推动电路P后输出。为了方便使用，同时还在功率推动级添加电平调节电路L，用来调节信号的平均值。一般的声卡最少有两路(Channel)音频输出。
软件部分界面参见图8。在软件部分集成了数据处理、绘图，快速傅立叶变换(FFT)变换、任意波形发生器控制等功能模块。并且可以提供对数学软件的接口，从而可以方便地对数据进行进一步处理。
采用本发明对图9所示波形的2.5赫兹正弦波进行采样，可以得到图10所示的50赫兹信号；对图11所示波形的2.5赫兹三角波进行采样，则可以得到图12所示的25赫兹信号。
本发明的使用。使用时先将采集系统的输出正确地接到声卡的麦克风插口，打开采集软件，按照采集信号的幅度选择合适的量程，就可以开始进行采集。采集软件本身还具备一些常用的数据处理功能，例如FFT；可以将数据输出生成文本格式的文件。
权利要求
1.一种基于声卡的数据采集方法和系统，由硬件和软件组成，硬件对数据进行采集，软件对硬件采集到的数据进行处理，其特征在于硬件包括声卡、输入接口电路、时序发生电路，分时复用电路、双边带生成电路，输出接口电路和自校准电路几部分；其中输入接口作用为输入保护和阻抗变换；时序发生电路产生脉冲信号；分时复用电路在时序发生电路所产生脉冲的控制下，通过多路选择开关将输入信号分成四部分，第一部分为同步信号，第二至第四部分是数据信号，后三部分分别对应着采集系统的一个通道；双边带生成电路将单边带信号倒相，再插入原信号中，形成双边带信号，从而使采集系统的每个通道由大小相等、符号相反的两取样脉冲组成；以上电路所进行的信号调制方式使得输出信号的直流分量绝对为零，同时使多路信号数据的采集得以实现。
2.根据权利要求1所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于分时复用电路产生一小段零电平信号作为隔离区，插入输出信号中，用以排除相邻通道之间的干扰。
3.根据权利要求1或2所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于双边带生成电路由集成运放和多路选择开关组成，将单边带信号倒相，再插入原信号中，形成双边带信号。
4.根据权利要求1或2所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于输出接口电路由集成运放比例放大电路和阻抗变换电路组成，与声卡的麦克风接口进行阻抗匹配和信号幅度的匹配。
5.根据权利要求3所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于输出接口电路由集成运放比例放大电路和阻抗变换电路组成，与声卡的麦克风接口进行阻抗匹配和信号幅度的匹配。
6.根据权利要求1或2所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于自校准电路由精密基准电压源组成，其输出的基准电压和输入信号一同接入输入电路，在每一次采集开始之前根据系统状态自动进行校准。
7.根据权利要求3所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于自校准电路由精密基准电压源组成，其输出的基准电压和输入信号一同接入输入电路，在每一次采集开始之前根据系统状态自动进行校准。
8.根据权利要求4所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于自校准电路由精密基准电压源组成，其输出的基准电压和输入信号一同接入输入电路，在每一次采集开始之前根据系统状态自动进行校准。
9.根据权利要求5所述的基于声卡的数据采集方法和系统，其特征在于自校准电路由精密基准电压源组成，其输出的基准电压和输入信号一同接入输入电路，在每一次采集开始之前根据系统状态自动进行校准。
全文摘要
本发明涉及一种基于声卡的数据采集方法和系统，利用直流信号双边带调制及分时复用技术解决声卡采集直流信号的问题。本发明通过输入接口电路、时序发生电路，分时复用电路、双边带生成电路，输出接口电路和自校准电路几部分电路将输入信号转化成为数据帧；一帧分成四部分，第一部分为同步信号，第二至第四部分是数据信号，每部分对应着采集系统的一个通道；每个通道由大小相等、符号相反的两取样脉冲组成，保证输出信号的直流分量绝对为零。因此解决了声卡不能采集直流信号的问题，同时又实现了多路采集的功能。
文档编号G06F3/16GK1424685SQ03100490
公开日2003年6月18日 申请日期2003年1月16日 优先权日2003年1月16日
发明者吕莹, 张洁天, 宫明, 葛鉴桥 申请人:北京大学